变压器油对室温硫化硅橡胶绝缘特性的影响_

高电压技术　第３７卷第１期２０１１年１月３１日

，ＶＨｉｈＶｏｌｔａｅＥｎｉｎｅｅｒｉｎｏｌ．３７，Ｎｏ．１，Ｊａｎｕａｒ３１，２０１１　　ｇｇｇｇｙ　

９１

变压器油对室温硫化硅橡胶绝缘特性的影响（Ⅰ）

姚　刚１，文习山１，蓝　磊１，韩　巍２，刘　辉１

（）武汉大学电气工程学院，武汉４北京市电力公司，北京１１．３００７２；２．０００００

摘　要：直流场设备外绝缘污闪和湿闪特性很大程度受表面涂覆的室温硫化硅橡胶（绝缘特性的制约，ＲＴＶ）ＲＴＶ良好的性能主要体现在优异的憎水性及憎水迁移性。为研究变压器套管等设备漏油对Ｒ选ＴＶ绝缘特性的影响，、取普通Ｒ氟化聚硅氧烷协同改性的纳米复合Ｒ借助扫描电镜（ＴＶ和经纳米ＳｉＯＴＶ两种材料，ＳＥＭ）ｘ射线能谱２、

（）和万能试验机对材料内部结构和力学性能进行了比较研究。参照ＧＥＤＳＢ１７３９—１９８９对２种ＲＴＶ进行浸油加　研究了不同浸油时间和不同恢复时间下Ｒ分析了环境因素和污秽成分对有无浸速老化试验，ＴＶ的憎水恢复特性，油的Ｒ高温变压器油降低了Ｒ协同改性的纳ＴＶ憎水性迁移特性的影响。结果表明，ＴＶ憎水性和憎水恢复性能，米复合Ｒ耐油性均优于普通ＲＴＶ材料力学性能、ＴＶ。ＲＴＶ憎水性恢复快慢及恢复程度与浸油老化时间密切相并随之呈现规律性变化。污秽成分、环境温度和相对湿度对Ｒ关，ＴＶ憎水迁移性有明显影响。关键词：绝缘特性；室温硫化硅橡胶；憎水性恢复率；变压器油；耐油性；憎水迁移性中图分类号：ＴＭ８５２

文献标志码：Ａ

（）文章编号：１００３６５２０２０１１０１００９１０８－－－ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒＯｉｌｏｎＩｎｓｕｌａｔｉｏｎＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ　　　　　　　

ＲＴＶＳｉｌｉｃｏｎｅＲｕｂｂｅｒ（　　Ⅰ）

１１１２１

，ＹＡＯＧａｎＮＸｉｓｈａｎＬＡＮＬｅｉＷｅｉＬＩＵ　Ｈｕｉ　　－　　，ＨＡＮ　　，　ｇ，ＷＥ

（，Ｗｕ，Ｗｕ；１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｈａｎ４３００７２，Ｃｈｉｎａ　　　　　ｇｇｙ

，）２．ＢｅｉｉｎＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｒｏｒａｔｉｏｎＢｅｉｉｎ１０００００，Ｃｈｉｎａ　　ｊｇｐｊｇ　　

：ＡｂｓｔｒａｃｔＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＦｌａｓｈｏｖｅｒａｎｄｒａｉｎｉｎｆｌａｓｈｏｖｅｒｏｆＤＣｅｕｉｍｅｎｔａｒｅｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄｂｔｈｅｉｒｓｕｒｆａｃｅｏｌｌｕｔｉｏｎ　　　　　　　　　　　　ｐｇｑｐｙ　　ＲＴＶｃｏａｔｉｎｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｏｉｌｌｅａｋａｅｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｂｕｓｈｉｎｏｎ　　　　　　　　　　　　　ｇｇｇ　　

，ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｒｄｉｎａｒＲＴＶａｎｄｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｎａｎｏｃｏｍｏｓｉｔｅｍｏｄｉｆｉｅｄｂｎａｎｏＳｉＯｎｄｆｌｕｏｒｉｄｅＲＴＶｏｌ　　　　　　　－　　－ｙｐｙｐ２ａ　　，ｓｉｌｏｘａｎｅｗｅｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄａｎｄｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｒｏｅｒｔｉｅｓｏｆＲＴＶ　ｍａｔｅｒｉａｌｓｗｅｒｅｃｏｍａｒａｔｉｖｅｌｉｎ　　　　　　　　　　　－ｐｙｙｐｐ　

ｖｅｓｔｉａｔｅｄｂｕｓｉｎＳＥＭ，ＥＤＳａｎｄｕｎｉｖｅｒｓａｌｔｅｓｔｉｎｍａｃｈｉｎｅ．ＢｔｈｅｎａｔｉｏｎａｌｓｔａｎｄａｒｄＧＢ１７３９－１９８９，ｏｉｌａｃｃｅｌｅｒ　　　　　　　　　－ｇｙｇｇｙ　　　　，ａｔｅｄａｉｎｉｍｍｅｒｓｉｏｎｔｅｓｔｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉａｔｅｄｈｄｒｏｈｏｂｉｃｒｅｃｏｖｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＲＴＶｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｍｍｅｒｓｉｏｎｏｉｌ　　　　　　　　　　　ｇｇｇｙｐｙ　　

，ｏｌｌｕｔｉｏｎｔｉｍｅａｎｄｒｅｃｏｖｅｒｔｉｍｅｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｆａｃｔｏｒｓａｎｄｃｏｍｏｎｅｎｔｏｆｏｎｈ　　　　　　　　　　　　　　　－ｐｙｐｙ　ｒｅｏｓｔｄｒｏｈｏｂｉｃｉｔｏｆＲＴＶａｔａｎｄｏｉｌｉｍｒｅｎａｔｉｏｎｗｅｒｅａｎａｌｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｈｄｒｏｈｏｂｉｃｉｔ　　　－　－　　　　　　　　ｐｐｐｙｐｇｙｙｐｙ　

，ａｎｄｈｄｒｏｈｏｂｉｃｒｅｃｏｖｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＲＴＶａｒｅｄｅｃｒｅａｓｅｄｂｈｉｈｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｏｉｌａｎｄｃｏｍｒｅｈｅｎ　　　　　　　－　　　－ｙｐｙｙｇｐｐ　　ｒｏｅｒｓｉｖｅｌｍｏｄｉｆｉｅｄＲＴＶｎａｎｏｃｏｍｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｓｈｏｗｂｅｔｔｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｔｈａｎｃｏｍｍｏｎＲＴＶｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　　－　　　　　　　　　　－ｐｐｙｐ　

，ｔｉｅｓａｎｄｏｉｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｔｏｔｈｅｈｄｒｏｈｏｂｉｃｉｔｔｈｅｒｅｃｏｖｅｒｓｅｅｄａｎｄｄｅｒｅｅｏｆＲＴＶｃｌｏｓｅｌｄｅｅｎｄｏｎ　　　　　　　　　　　　ｇｙｐｙｙｐｇｙｐ　　　，，ｉｍｍｅｒｓｉｏｎｏｉｌｄｕｒａｔｉｏｎａｎｄｒｅｕｌａｒｌｖａｒｄｕｒｉｎａｇｉｖｅｎｉｍｍｅｒｓｉｏｎｏｉｌｅｒｉｏｄ．Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎｃｏｍｏｓｉｔｉｏｎａｍｂｉｅｎｔｔｈｅ　　　　　　　　ｇｙｙｇｐｐ　　　ｔｅｍｅｒａｔｕｒｅａｎｄｒｅｌａｔｉｖｅｈｕｍｉｄｉｔｈａｖｅｏｂｖｉｏｕｓｅｆｆｅｃｔｓｏｎｈｄｒｏｈｏｂｉｃｒｅｃｏｖｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＲＴＶ．　　　　　　　　　　ｐｙｙｐｙ　　

：；；；；ＫｅｗｏｒｄｓｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＲＴＶ；ｈｄｒｏｈｏｂｉｃｉｔｒｅｃｏｖｅｒｒａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｏｉｌｏｉｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｈｄｒｏｈｏ　　　－ｙｐｙｙｙｐｙ　　　ｂｉｃｉｔｔｒａｎｓｆｅｒｙ　

０　引言

污闪是由恶劣大气环境和电场共同作用下产生的沿面放电现象，输变电设备外绝缘污闪已经严重危害电力系统安全稳定运行。“西电东送，北电南送”工程的实施，特高压直流主干电网建设的投入会使其有历史性突破。西电东送如三—沪±５００ｋＶ

基金资助项目：国家重点基础研究发展计划（９７３计划））。（２００９ＣＢ７２４５００

ＰｒｏｅｃｔＳｕｏｒｔｅｄｂＮａｔｉｏｎａｌＢａｓｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｒａｍｏｆＣｈｉｎａ　　　　　　　ｊｐｐｙｇ　（（）９７３Ｐｒｏｒａｍ）２００９ＣＢ７２４５００．ｇ

直流线路、北电南送如天—广±５００ｋＶ直流线路均污秽等各种复杂环境的地区。将经过高海拔、

作为防污闪工作的补救措施，室温硫化硅橡胶（简称Ｒ以其优异的耐污闪性能和耐ＲＴＶ－ＳＲ，ＴＶ）

湿闪性能已经广泛应用在整个直流场设备外绝缘上。然而，变压器套管（电力变压器高压进出线套、管）高压侧充油套管等涂覆ＲＴＶ的设备由于工艺质量不佳或桩头过热等原因易产生漏油缺陷。相关学者指出漏出的热变压器油会严重降低ＲＴＶ外绝

］１５－，缘性能，可能引发换流站直流绝缘套管污闪［但

目前国内外文献针对变压器油对ＲＴＶ外绝缘影响

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高电压技术　ＨｉｈＶｏｌｔａｅＥｎｉｎｅｅｒｉｎ　　ｇｇｇｇ（）２０１１，３７１

机理的讨论较少。由于ＲＴＶ外绝缘性能很大程度受其憎水性及憎水迁移特性的制约，

本文以研究变压器油（简称油）对ＲＴＶ外绝缘影响为基础，提供了一种改善ＲＴＶ力学性能和耐油性的方法，讨论了外部因素对有无浸油的ＲＴＶ试样憎水特性的影响。研究结果为改善ＲＴＶ力学性能、耐油性、讨论变压器油对ＲＴＶ憎水特性的影响和分析ＲＴＶ憎水性的影响因素可以提供理论参考，因此本课题具有一定理论价值和工程实际运用价值。

本文选取普通ＲＴＶ和经纳米ＳｉＯ２和氟化聚硅氧烷协同改性的纳米复合ＲＴＶ两种材料，借助扫描电镜、

万能试验机等设备参考相关标准对两种ＴＶ基本性能进行了测试。着重从变压器油对两种ＲＴＶ憎水特性的影响展开分析，讨论了两种ＴＶ浸油后憎水恢复率随浸油时间的变化。通过定量试验观察灰成分、环境条件、浸油时间和迁移时间的变化等外部因素对ＲＴＶ憎水性和憎水恢复特性的影响，进而对污秽成分、环境因素和憎水性迁移时间等方面对有无浸油的ＲＴＶ试样憎水特性展开了对比研究。

　ＲＴＶ的制备、

形貌和元素分析普通ＲＴＶ直接倒出制样，标记为＃１。在制备ＴＶ纳米复合材料时，

先将经Ａ型偶联剂处理过的疏水性纳米ＳｉＯ２（比表面积３５０ｍ２／ｇ）加入溶剂中，在３０００ｒ／ｍｉｎ转速下机械搅拌１５ｍｉｎ

，再将其置于超声波清洗槽中进一步分散１５ｍｉｎ，将分散好的胶体状溶液与ＲＴＶ液体、Ｃ型氟化聚硅氧烷、型氟助剂混合，在３０００ｒ／ｍｉｎ转速下机械搅拌３０

ｍｉｎ，最后置于超声波清洗槽中进一步分散３０ｍｉｎ，静置后倒出的制样标记为＃２。

采用Ｑｕａｎ　ｔａ　２００场发射扫描电子显微镜（ＳＥＭ）分析ＲＴＶ液氮淬断面微区形貌，

用ｘ射线能谱仪对微区元素进行定量分析。＃１、＃

２液氮淬断面的扫描电镜（ＳＥＭ）及ｘ射线能谱图分别如图１、２所示，图中横轴Ｅ为元素能量值，ｋｅＶ；纵轴Ｎ为ｘ射线光子的计数率。

１）如图１（ａ

）所示，未加任何添加剂的＃１淬断面呈蜂窝状的巢穴式疏松结构，放大６００倍的ＳＥＭ图可以看出其截面有许多小孔，并可以清晰的看出小孔的周围很光滑，质地不够紧凑，能谱分析（ＸＲＤ）显示其主要元素为Ｃ、Ｏ、Ｓｉ（图１（ｂ

））。２）如图２（ａ）所示，借助超声波和机械搅拌使纳米ＳｉＯ２分散至硅橡胶后，所得的＃２结构较为紧凑，纳米ＳｉＯ２较均匀的分散在硅橡胶中且呈现部分交

图１　＃１淬断面ＳＥＭ及ｘ射线能谱图Ｆｉｇ．１　ＳＥＭ　ｐｈｏｔｏｇｒａｐ

ｈ　ａｎｄ　ＥＤＳ　ｏｆ＃

１Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ　

ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎ联状。＃２的６００倍ＳＥＭ图显示其内部含有呈链状分布的类球形颗粒，粒子之间熔合或熔结形成“脖颈”得到的链状结构是由于纳米颗粒表面粗糙和存在剩余活性羟基所致。

由于硅橡胶中添加了经Ａ型偶联剂处理过的

纳米ＳｉＯ２，＃

２主要元素虽仍为Ｃ、Ｏ、Ｓｉ，但各元素相对含量较＃１发生明显变化，图２（ｂ）可以看出经氟化改性后的纳米复合材料＃２含有少量的Ｆ元素。

　ＲＴＶ基本性能测试与分析

参考ＧＢ／Ｔ　

５２８—１９９８用ＫＹ—８０００试验机对种ＲＴＶ试品的力学性能进行测试（

见图３），其余性能测试参考相关标准［

６－７］。由表１可见＃２的力学性能较＃１得到提高，经Ａ型偶联剂修饰后的ＳｉＯ２纳米微粒疏水性进一步提高且表面能降低，纳米ＳｉＯ２分子能够更精细地分散在有机基体中。经结构改性后具有更高的振实密

度［８］

而能够更精细地分散在有机基体中，因此能对

ＲＴＶ进行较好的力学补强。

ＲＲ１ＲＢＤ２２姚　刚，文习山，蓝　磊，等．变压器油对室温硫化硅橡胶绝缘特性的影响（Ⅰ）

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图２　＃２淬断面ＳＥＭ及ｘ射线能谱图Ｆｉｇ．２　ＳＥＭ　ｐｈｏｔｏｇｒａｐ

ｈ　ａｎｄ　ＥＤＳ　ｏｆ＃

２Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ　

ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎ表１　两种ＲＴＶ测试结果

Ｔａｂ．１　Ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　

ＲＴＶ试品

拉伸强度撕裂强度剪切强度介电强度／ＭＰａ／（ｋＮ·ｍ－１）

／ＭＰａ／（ＭＶ·ｍ－１）

＃１　１．８　７．９　２．４　１８．３＃

２　

３．２　

１２．３　

３．６　

２２．４

３　油对ＲＴＶ憎水恢复性的影响

将＃１、＃

２浸油区域的表层用脱脂纱布擦净，静置一段时间后变压器油从＃１、＃

２内部渗出，

由于＃１为无色透明，其暴露于空气的区域与浸油的区域存在的色差较＃２更明显（见图４）。由于＃１内部存在较多孔隙，油更易渗透至内部结构胶蓬松的＃

１内

部，＃１浸油的区域呈淡黄色且浸油区域明显凸起，

由于＃２交联密度较大且网络结构中的自由体积较小，油的渗入和扩散相对困难。２种ＲＴＶ浸油２４ｈ后，采用ＳＬ２００Ｂ型接触角测试仪测量水滴静态接

触角θ，测试结果表明浸油２４ｈ的＃１、＃

２未浸油部

图３　试验典型测试图片

Ｆｉｇ．３　Ｔｙｐｉｃａｌ　ｔｅｓｔ　ｐｉｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｅｘｐ

ｅｒｉｍｅｎｔ图４　两种Ｒ

ＴＶ浸油后的图片Ｆｉｇ

．４　Ｐｉｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ＲＴＶ　ａｆｔｅｒ　ｉｎｍｍｅｒｓｉｏｎ　ｏｉｌ分（＃１′、＃

２′

）憎水性较浸油之前略微减弱，说明油可以逐渐渗透至硅橡胶内部并影响其憎水性能（见表２

）。＃

２成膜物质中含氟化有机硅树脂，

其内部可能存在的氟原子“富集”效应［９］

使薄膜表面吸附性极大

降低，故其憎水性强于＃１。２种ＲＴＶ浸油后的憎

水性能均有所下降，经氟化改性后的＃２成膜时存在含氟基团向表面迁移的现象，引入了Ｃ—Ｆ键键能较大且电负性较强的氟原子会稍呈螺旋状包围着碳

链［

１０］

，变压器油对＃２的影响较＃１弱。浸油后的试样取出后其表层覆盖一层油膜，水滴与变压器油互

９４

高电压技术　ＨｉｈＶｏｌｔａｅＥｎｉｎｅｅｒｉｎ　　ｇｇｇｇ

（）２０１１，３７１

表２　２种ＲＴＶ未浸油和局部浸油后的憎水性能

Ｔａｂ．２　Ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ　

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔＲＴＶ　ａｔ　ｐｒｅ　ａｎｄ　ｐｏｓｔ　ｏｉｌ　ｉｍｐｒｅｇ

ｎａｔｉｏｎ试品

２μＬ水滴静态４μ

Ｌ水滴静态表面能１／表面能２／接触角／（°）接触角／（°）（ｍＮ·ｍ－１）（ｍＮ·ｍ－１）

＃１　

９６．２　９７．３　２５．０６　２６．１＃

１′８６．３　８７．２　２９．３２　３０．１８＃２　

１０６．８　１０７．２　２０．５８　２０．０９＃

２′

１００．５　

１０１．３　

２４．３６　

２３．９８

不相溶性导致４μＬ水滴在油膜表层呈水膜状（

见图（ａ））。对应的静态接触角θ从最初的１０５．６°（见图（ｂ））降至约３５°，这意味着一旦套管漏油（见图５（ｃ）），油将导致ＲＴＶ表面会暂时失去其原有的憎水性（见图５（ｄ

））。选取＃２试样，在浸油不同阶段取出试样对其憎水性进行测量，并用脱脂纱布擦净试样表层油污以消除变压器油对憎水性的影响，由于ＲＴＶ小分子

聚合物迁移完成的时间为５０～１００ｈ［１

１－１３］，因此，试验的恢复ｈｒ最大达１８０ｈ。在每组试验中，每个试片只做一次测量。试片的憎水性迁移过程在恒温干燥箱中完成。图６清晰地显示了＃２试样在浸入变压器油时间ｈｏ达到９

６ｈ后的憎水性恢复过程，可见憎水性的恢复需要一定时间，是一个渐进性的过程，当恢复时间ｈｒ达到５０ｈ，其憎水性基本完全恢复。不同ｈｒ下试样憎水角的变化如图６所示。

图７为＃１、＃

２试样在不同浸油时间ｈｏ下的静

态接触角恢复曲线，其中虚线分别表示各试样在浸

入变压器油前的初始接触角，＃１、＃

２的初始静态接

触角θｉ（

ｉ＝１、２）分别约为９６．５９°和１０６．５°，可见静态接触角θ在初始阶段（

约几个小时）恢复较快，之后逐渐趋于平缓，最后达到饱和水平。在ｈｏ＜６ｈ之前，静态接触角θ的恢复随着ｈｏ的增加而加速；ｏ＝

６～２４ｈ期间，静态接触角θ的的恢复随着ｈｏ的增加而变慢，２４ｈ后，其恢复再次加速；图７（ｃ）表明ｈｃ＞４８ｈ后，静态接触角θ的恢复重新减缓，ｈｏ

达到９６ｈ时，＃１、＃

２均须经过大于１０８ｈ的时间方

可恢复到初始接触角。ｈｏ＝２００ｈ时即使静置足够长时间，其静态接触角θ仍不能恢复到初始水平，且

浸油２００ｈ的＃

１、＃

２的静态接触角θ保持在较低的

水平，大约为６５°和７１°

。由此可见，变压器油对ＴＶ憎水性的恢复产生影响，

且这种影响呈现出阶段性的变化趋势。

为了更直观地反映静态接触角θ恢复的快慢，文中将憎水性恢复率定义为θｉ与恢复到初始值所

图５　油膜表层水滴、水膜典型图片Ｆｉｇ．５　Ｔｙｐｉｃａｌ　ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｄｒｏｐ

、ｗａｔｅｒ　ｆｉｌｍ　ｏｎ　ｏｉｌ　

ｓｕｒｆａｃｅ图６　＃２浸油９６ｈ后的憎水性恢复Ｆｉｇ．６　Ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ　

ｏｆ＃２ａｆｔｅｒｄｉｐｐｉｎｇ　

ｏｉｌ　ｒｅａｃｈ　９６ｈ用时间ｔ的比值。根据此定义，计算试样在浸油不

同时间后的憎水恢复率，并将其示于图８中。由于试样经浸油２００ｈ后，其憎水性在足够长时间后不能恢复到初始值，故未在图８中标出。

＃

１、＃

２试样的憎水性恢复率均随ｈｏ的增加呈现出“增加－降低－增加－降低”的趋势，在本试验条件

下其分界点均分别位于６、２４和４８ｈ处。但＃２试样在各时间段的憎水性恢复率均大于＃１，即协同改性后的＃２憎水恢复性更好。造成这种现象在于硅橡胶中可移动小分子的存在和主链的柔顺性是其憎水性恢复的主要因子，而憎水性的恢复快慢与材料表面的物理结构、化学构成密切相关，由第３章分析可知＃２致密的内部结构导致变压器油对其影响相对较小。初始阶段当油渗透到硅橡胶内部时，烷烃、环烷烃和芳香烃与小分子之间的相互扩散虽然使硅橡胶网状结构发生变化，但一定程度为小分子的迁移提供了通道，

反而有利于硅橡胶憎水性的恢５５ｈＲ姚　刚，文习山，蓝　磊，等．变压器油对室温硫化硅橡胶绝缘特性的影响（Ⅰ）

９５

图７　静态接触角的恢复

Ｆｉｇ．７　Ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ　

ｗｉｔｈ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｔｉｍｅａｆｔｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｏｉｌ　ｉｍｐｒｅｇ

ｎａｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ图８　不同样品憎水性恢复率随浸油时间变化Ｆｉｇ．８　Ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ　

ｒａｔｅ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓａｍｐｌｅｓａｓ　ａ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ａｆｔｅｒ　ｏｉｌ　ｉｍｐｒｅｇ

ｎａｔｉｏｎ　ｄｕｒａｔｉｏｎ复，即阶段１。当试样浸油时间继续增加时，油中所含烃类化合物将导致硅橡胶主链柔顺性变差，小分子将难以迁移到表面，

则憎水性恢复减缓，即阶段。之后，

这种为其提供通道和阻碍小分子迁移是相互并存的矛盾，相互竞争的结果将导致试样憎水性恢复趋势随浸油时间并不单调上升或下降，即阶段和４。当阻碍作用占据明显优势后，ＲＴＶ的憎水

角甚至较长时间难以恢复到初始值（见图７（ｄ

））。　ＲＴＶ憎水迁移性影响因素研究

实验所用恒定湿热试验箱主要参数为：工作室尺寸４００ｍｍ×５００ｍｍ×４００ｍｍ；温度范围０～１５０Ｃ，温度波动度±３％；相对湿度范围２０％～９８％，

相对湿度均匀度±２．５％；该试验箱参照ＧＢ／Ｔ４２３．３、ＧＢ　

１０５８６—１９９３及相关研究成果的建议设计，相关参数符合上述标准的建议值。．１　灰密、

盐密的影响在灰密、盐密对憎水性影响试验过程中，控制试验箱的环境的温度和相对湿度不变。涂污方法采用

固体涂层法，试验中灰密为０．５、１．０ｍｇ／ｃｍ２

，盐密为０、０．０５、０．１、０．２、０．３、０．４ｍｇ／ｃｍ２

，通过改变ｐｋ

（盐密ＥＳＤＤ与灰密ＮＳＤＤ的比值）与涂污后的憎水迁移性时间ｔＨ（２４ｈ，７２ｈ）来研究有无浸油的ＴＶ试样憎水特性的变化。图９为ｔＨ为２

４ｈ和２ｈ时，

不同灰盐密组合对试片表面静态接触角的影响（本文所指的迁移时间，均为试品涂污干燥后至静态接触角测量的时间间隔）

。观察图９可以得出以下结论：

１）灰密、盐密对ＲＴＶ憎水迁移性有明显的影

响，ｐｋ相同ｈｏ不同时，静态接触角差异明显，随着ｋ的增大，这种差异越来越大。ｔＨ相同时，

随着ＳＤＤ在硅藻土成分中的比例，ｐｋ不断增大，

静态２３４°２４Ｒ７ｐＥ９６

高电压技术　ＨｉｈＶｏｌｔａｅＥｎｉｎｅｅｒｉｎ　　ｇｇｇｇ（）２０１１，３７１

图９　不同污秽成分对有无浸油的

ＲＴＶ憎水迁移性的影响

Ｆｉｇ．９　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｃｏｍｐ

ｏｎｅｎｔ　ｏｆ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　ｏｎｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ　

ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｏｆ　ＲＴＶ　ａｔ　ｐｒｅａｎｄ　ｐｏｓｔ　ｏｉｌ　ｉｍｐｒｅｇ

ｎａｔｉｏｎ接触角不断减小，当污秽仅为硅藻土（ｐｋ＝０）时，ｔＨ＝７２ｈ和ｔＨ＝

２４ｈ的静态接触角仅差６．３°，说明涂污为纯硅藻土时，在ｔＨ＝２４ｈ时，ＲＴＶ试品表面基本完成了憎水性迁移。盐密在０．０５、０．１、０．２ｍｇ

／ｍ２

变化时ＲＴＶ憎水性迁移受影响较小，

而高盐密（＞０．３ｍｇ／ｃｍ２

）时ＲＴＶ憎水迁移稳定后的静态接触角明显减小。１．０ｍｇ／ｃｍ２

的硅藻土较０．５ｍｇ

／ｃｍ２

的硅藻土更有利于ＲＴＶ得到较高的憎水角和较短的憎水迁移稳定时间。这是因为，１．０ｍｇ

／ｃｍ２的硅藻土虽比０．５ｍｇ／ｃｍ２

的硅藻土厚而不利于小分子迁移至硅藻土表面［１４－１６］，但由于硅藻

土结构比较疏松且表面存在很多微孔，

污层对小分子聚合物的吸附过程中，硅藻土表面的微孔会大大

增强其吸附能力［１７－２０］，这种特性反而有利于提高

ＴＶ憎水性迁移速度，

两种矛盾斗争的结果在本试验研究范围内体现为１．０ｍｇ／ｃｍ２

的灰密更有利于ＴＶ憎水性迁移。

２）ＲＴＶ浸油后的憎水迁移性下降，

如３节分析可知高温变压器油会使ＲＴＶ暂时丧失憎水迁移

性。ＲＴＶ试品浸油２４ｈ后，测试结果表明ＲＴＶ仍具有憎水迁移性，但ｔＨ相同时的静态接触角较未浸油的ＲＴＶ试品明显降低。原因在于ＲＴＶ浸油后恢复其憎水性能尚需一定时间，ＲＴＶ恢复憎水性后其内部渗出的油被污秽吸附，且结构致密的油泥状污秽进一步减弱了小分子聚合物的迁移速度。３

）未浸油的＃２试样憎水迁移性速度普遍较＃１稍弱，原因在于＃２内ＳｉＯ２使硅橡胶交联密集，分子运动减弱导致ＬＭＷ小分子向污层迁移的速度减

慢［２１－２３］，但本文所用５％质量分数的ＳｉＯ２对Ｒ

ＴＶ憎水迁移性影响不明显。浸油２４ｈ的＃２在ｔＨ＝２４ｈ、７２ｈ的憎水角普遍大于浸油２４ｈ的＃１，

造成这种现象的原因在于＃２内部的Ｃ—Ｆ键具有斥油

性［８－１０］，＃２内部吸附油量较＃１少，＃２表面覆盖的油

泥状污秽较为疏松，

相对于＃１而言，变压器油对＃２小分子聚合物迁移速度的影响较小。．２　湿度的影响

如４．１节分析可知，＃１、＃２憎水迁移特性基本

相同，但＃２力学性能优于＃１且＃２浸油后的憎水恢复特性明显强于＃１。为考虑将来的实际应用需要，仅研究环境因素对有无浸油的＃２试样的憎水迁移

特性。试验相对湿度为３０％和８５％，选择浸油时间ｏ＝

０ｈ（未浸油）、２４ｈ的ＲＴＶ样品＃２做对比研究，ＮＳＤＤ为１．０ｍｇ／ｃｍ２

，相对湿度Ｈｒ对其表面憎水性迁移特性的影响如图１０所示，绘制各条件下ＲＴＶ未浸油的试样（

和实线相同的标志符号但以虚线连接表示该条件下未浸油试样静态接触角变化趋势）的憎水性迁移特性以供对比研究，试验过程中保持温度基本恒定。

对比２种湿度下ＲＴＶ憎水性迁移曲线可见：１）浸油２４ｈ的＃２在ｐｋ＝

０％的憎水迁移速度和稳态接触角均相对较小，ｐｋ＝５０％时ＲＴＶ憎水迁移速度和稳态接触角减小的趋势更明显。原因在于相对湿度增加导致ＲＴＶ表面油泥状的污秽更为致密，ｐｋ增加导致对水分子吸附得到加强，小分子迁移速度得到进一步抑制。ｈｏ＝２４ｈ的＃２憎水迁移速率较未浸油时的ＲＴＶ减小，迁移稳定后的静态接触角变小，变压器油降低了ＲＴＶ表面的憎水恢复性能。

２）相对湿度的增加减少了ＲＴＶ的稳态接触角，ｐｋ＝５０％的４条曲线差别比ｐｋ＝０％的４条曲线差别更大。原因在于硅橡胶对水分的吸附能力比对小分子聚合物的吸附能力要明显弱，相对湿度增大会导致硅藻土单位表面吸附的分子总数中水分子的比例有所增加，但幅度小于水分子总数的增加，因

４ｈｃＲＲ姚　刚，文习山，蓝　磊，等．变压器油对室温硫化硅橡胶绝缘特性的影响（Ⅰ）

９７

（ρＮＳＤＤ＝１．０ｍｇ／ｃｍ２，温度２６．３°Ｃ）图１０　相对湿度对ＲＴＶ憎水迁移特性的影响Ｆｉｇ．１０　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　

ｏｎ　ＲＴＶｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ　

ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ此在ｐｋ＝０％时，ＲＴＶ稳态接触角受影响较小。３）ｐｋ＝０％时，ｈｏ＝

０ｈ和２４ｈ的＃２在相对湿度为３０％的迁移饱和时间分别约３６ｈ和７２ｈ，而相对湿度为８０％的饱和时间分别约６４ｈ和９０ｈ，可见相对湿度的增加减弱了ＲＴＶ的憎水迁移速度。．３　温度的影响

气候条件的复杂性导致很多输变电设备所处地区的气温并不恒定，试验选择相对湿度约为４０％，研究环境温度Ｔ为１５°Ｃ和３８°Ｃ条件下的憎水性迁移特性，结果见图１１，图中符号含义同４．２节。

由图１１可见，温度对憎水性迁移的影响为：１

）温度升高导致同一样品憎水性迁移的饱和时间缩短，迁移曲线的曲率半径随温度升高大大缩小，试验所列四种条件下有无浸油的＃２试样憎水迁移速率的差异随温度升高逐渐减小，原因在于温度上升导致小分子聚合物的物理活性大大增强，且ＲＴＶ内部吸收的油随温度的上升析出速度也增加，这两种因素分别有利于未浸油和浸油后的ＲＴＶ内小分子迁移。

２）ｈｏ＝０ｈ、２４ｈ的＃２稳态接触角随温度上升变化较小，原因在于温度的增加并没有对迁移完成后污层单位表面吸附的小分子聚合物的数目产生变化，ｐｋ＝０％和５０％下的稳态接触角差距随着迁移时间增加逐渐减小，并且各曲线均呈现饱和趋势。即在试验温度下，小分子聚合物均随时间逐渐迁移至污层表面，并在某一时刻最终完成迁移。

　结论

１）经纳米ＳｉＯ２、氟化聚硅氧烷协同改性的纳米复合ＲＴＶ材料力学性能和耐油性能均有一定程度

（ρＮＳＤＤ＝１．０ｍｇ／ｃｍ２，相对湿度４５％）图１１　环境温度对ＲＴＶ憎水迁移特性的影响Ｆｉｇ．１１　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｅｎｖｉｒｏｍｅｎｔ　ｔｅｍｐ

ｅｒａｔｕｒｅ　ｏｎ　ＲＴＶｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ　

ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ提升，在各时间段的憎水性恢复率均大于普通ＴＶ。两种ＲＴＶ憎水性恢复率随浸油时间均将经

历“增加－降低－增加－降低”４个阶段，其分界点分别位于６、２４和４８ｈ处。当浸油时间达到２００ｈ后，即使静置很长时间，ＲＴＶ的憎水性仍不能恢复到初始水平。

２）两种ＲＴＶ浸油后的憎水迁移性均明显下降，灰密、盐密对ＲＴＶ憎水迁移性有明显的影响。经过力学、电气性能改性的＃２试样憎水迁移性较＃１稍差，浸油后的＃２试样憎水迁移特性明显强于浸油后的＃１试样，原因在于＃２内部Ｃ—Ｆ键的斥油性一定程度减弱了油对ＲＴＶ的影响。３）高温变压器油对两种ＲＴＶ的憎水迁移能力

均存在较大影响，浸油后的ＲＴＶ憎水迁移稳定后的静态接触角均减小。湿度增加不利于ＲＴＶ的憎水性迁移，温度升高加快了小分子聚合物的迁移，但ＴＶ试样最终的稳态接触角不变。不同温湿度下

两种ＲＴＶ的憎水迁移特性存在局部差异，但整体趋势相同。

参

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ｉ　Ｔ，ｌｚｕｍｉ，ｅｔ　ａｌ．Ｄｉｄｄｕｓｉｏｎ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｍｏｌｅｃｕｌａｒｗｅｉｇｈｔ　ｓｉｌｏｘａｎｅ　ｆｒｏｍ　ｂｕｌｋ　ｔｏ　ｓｕｒｆａｃｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｄｉ－ｅｌｅｃｔｒｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ，１９９９，６（３）：３７０－３７５．［１４］Ｌｕ　Ｚ　Ｗ，Ｊａｎｓｓｅｎ　Ｈ，Ｈｅｒｄｅｒｎ　Ａ，ｅｔ　ａｌ．Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　

ＬＭＷｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｉｎ　ｓｉｌｉｃｏｎｅ　ｒｕｂｂｅｒｓ［Ｃ］∥Ａｎｎｕａｌ　Ｒｅｐｏｒｔｓ　Ｃｏｎｆｅｒ－ｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ，Ａｕｓ－ｔｉｎ，ＴＸ，ＵＳＡ：［Ｓ，ｌ］，［ｓ．ｎ．］，１９９９：７２７－７３０．［１５］Ｈａｃｋａｍ　Ｒ．Ｏｕｔｄｏｏｒ　ＨＶ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｐｏｌｙ

ｍｅｒｉｃ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ，１９９９，６（５）：５５７－５８５．［１６］Ｚｈｉｄｏｎｇ　Ｊｉａ，Ｈａｉｆｅｎｇ　Ｇａｏ，Ｚｈｉｃｈｅｎｇ　Ｇｕａｎ，ｅｔ　ａｌ．Ｓｔｕｄｙ　

ｏｎ　ｈｙ－ｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｏｆ　ＲＴＶ　ｃｏａｔｉｎｇｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａ　ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｈｅｓｉｏｎ　ｔｈｅｏｒｙ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ，２００６，１３（６）：１３１７－１３２４．［１７］Ｈｕｉ　Ｄｅｎｇ，Ｈａｃｋａｍ　Ｒ．Ｌｏｗ－ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｗｅｉｇ

ｈｔ　ｓｉｌｉｃｏｎｅ　ｆｌｕｉｄ　ｉｎＲＴＶ　ｓｉｌｉｃｏｎｅ　ｒｕｂｂｅｒ　ｃｏａｔｉｎｇｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｄｉｅ－ｌｅｃｔｒｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ，１９９９，６（１）：８４－９４．［１８］Ｈｕｉ　Ｄｅｎｇ，Ｈａｃｋａｍ　Ｒ，Ｃｈｅｒｎｅｙ　

Ｅ　Ａ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｓｕｂｓｔｒａｔｅ　ｔｙｐｅ，ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｓｉｌｉｃｏｎｅ　ｆｌｕｉｄ　ａｎｄ　ｓｏｌｖｅｎｔ　ｔｙｐｅ　ｏｎ　ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ＲＴＶ　ｓｉｌｉｃｏｎｅ　ｒｕｂｂｅｒ　ｃｏａｔｉｎｇｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，１９９６，１１（１）：４３１－４４３．［１９］Ｓｅｏｇ－Ｈｙｅｏｎ　Ｋｉｍ，Ｃｈｅｒｎｅｙ　

Ｅ　Ａ，Ｈａｃｋａｍ　Ｒ，ｅｔ　ａｌ．Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｈａｎｇｅｓ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ＲＴＶ　ｓｉｌｉｃｏｎｅ　ｒｕｂｂｅｒ　ｃｏａｔｉｎｇｓ　ｏｎ　ｉｎｓｕ－ｌａｔｏｒｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｄｒｙ－ｂａｎｄ　ａｒｃｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｄｉｅ－ｌｅｃｔｒｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ，１９９４．１（１）：１０６－１２３．［２０］Ｋｅｖｉｎ　Ｅ，Ｊａｍｅｓ　Ｘ，Ｗｅｉｊｕｎ　Ｙ，ｅｔ　ａｌ．Ｄｅｇ

ｒａｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｓｉｌｉｃｏｎｅｂａｓｅｄ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｉｎ　ａ　ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃ－ｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｄｅｌｉｖｅｒｙ

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１９８４—，

男，博士生２００６年９月至２００８年７月，武汉大学电气工程及其自动化专业攻读硕士学位；２００８年９月保送至武汉大学电气工程学院高电压与绝缘技术专业攻读博士学位。从事高压输变电外绝缘、

电晕及防污技术、新型电工绝缘材料ＹＡＯ　Ｇａｎｇ的研究。参与了国家９７３计划２００９ＣＢ７２４５００Ｐｈ．Ｄ．ｃａｎｄｉｄａｔｅ

“防御输变电装备故障导致电网停电事故的基础研究”项目子课题的研究工作Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｏｇａｎｇ

１０９＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ文习山

１９６２—，

男，博士，教授，博导１９８２年毕业于西安交通大学电气工程系高电压技术专业，获学士学位。分别于１９８５年和１９８９年在武汉水利电力大学电力工程系获硕士学位与博士学位。全国防雷标准化技术委员会委员，大气物理学会雷电物理

ＷＥＮ　Ｘｉ－ｓｈａｎ监测和防护委员会委员。完成的主要科研Ｐｈ．Ｄ．，Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ

项目有国家自然科学基金《冻土地区接地与大地网接地研究》；国家“八五”和“九五”攻

关项目《三峡电站的接地问题研究》及《三峡枢纽接地装置研究》；博士点基金《土壤低温物理特性及冻土地区接地问题研究》；中国长江三峡开发公司的研究项目《三峡工程区直击雷保护规划设计与施工设计》、《太阳包微波通信站防雷完善方案》等。目前主要从事防雷与接地技术、电气绝缘在线监测与诊断、直流偏磁对电网的影响及检测、新型绝缘材料的研究

收稿日期　２０１０－０６－０９　修回日期　２０１０－１２－０９　编辑　任　明